李海輝，張 偉，趙向兵

（陜西重型汽車有限公司 汽車工程研究院，陜西 西安 710000）

減少溫室氣體的排放，積極應(yīng)對(duì)氣候變化，已成為全球共識(shí)，2020年9月中國向全球宣布二氧化碳排放力爭(zhēng)2030年達(dá)到峰值，爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。

交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主動(dòng)脈，將社會(huì)生產(chǎn)、交換、分配、消費(fèi)等各環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系起來，保障我國經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步發(fā)展。目前，我國交通運(yùn)輸行業(yè)溫室氣體排放量占總量約11%，隨著鄉(xiāng)村振興和人口戰(zhàn)略實(shí)施，未來一段時(shí)間內(nèi)仍將呈增長態(tài)勢(shì)。其中公路運(yùn)輸占比最大，達(dá)到74%，如圖1所示。

圖1 交通運(yùn)輸各形式CO2排放占比

對(duì)中汽協(xié)公開數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，2020年商用車保有量占汽車保有總量約13%，但其碳排達(dá)到了5.4億噸，占到汽車總排放量的62%。其中重卡保有量占商用車保有量的27.4%，但其碳排放量占商用車排放量高達(dá)57%[1]，如圖2所示，所以減少重卡行業(yè)碳排放是未來的重點(diǎn)。

圖2 重型商用車碳排放占比

如何在保證排放的同時(shí)，盡可能地提升整車燃油經(jīng)濟(jì)性成為國內(nèi)各大廠家的研發(fā)重心。排氣系統(tǒng)作為發(fā)動(dòng)機(jī)附件的重要組成部分，排氣背壓（阻力壓力）的大小直接影響著柴機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排放水平。排氣背壓升高會(huì)造成泵氣損失增加，從而導(dǎo)致熱效率降低，排氣背壓升高使得殘余廢氣系數(shù)增大，導(dǎo)致燃燒不充分，燃燒經(jīng)濟(jì)性惡化[2]。

本文以某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃油消耗率隨排氣背壓增大的變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上利用CRUISE軟件進(jìn)行燃油經(jīng)濟(jì)性仿真，驗(yàn)證排氣背壓對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，以正確指導(dǎo)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

1 排氣背壓性能曲線

1.1 排氣背壓試驗(yàn)

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)規(guī)格如表1所示，按Q/SQ 107057—2019進(jìn)行排氣背壓的測(cè)試，發(fā)動(dòng)機(jī)布置及排氣背壓控制方式如圖3、圖4所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

圖4 排氣背壓控制閥門圖

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)規(guī)格

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，找到最符合的函數(shù)關(guān)系，形式函數(shù)關(guān)系式如表2所示。但由于各設(shè)備參數(shù)可調(diào)范圍有限，導(dǎo)致試驗(yàn)過程中采集的數(shù)據(jù)有限，對(duì)數(shù)據(jù)處理所形成的函數(shù)關(guān)系式均顯示為線性關(guān)系。

表2 函數(shù)關(guān)系式

如圖5所示，隨著排氣背壓的增加，氣缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)隨著增大，導(dǎo)致進(jìn)氣沖量系數(shù)降低，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒不充分，相同燃油量產(chǎn)生的能量降低，功率損失越來越大，發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率降低，影響整車動(dòng)力性表現(xiàn)[3]。同時(shí)，隨著排氣背壓的增大和燃燒惡化，燃油消耗率不斷增大，影響整車經(jīng)濟(jì)性表現(xiàn)。

圖5 不同排氣背壓下的功率/燃油消耗率

2 基于CRUISE的經(jīng)濟(jì)性能仿真

2.1 整車模型搭建

為了進(jìn)一步驗(yàn)證排氣背壓變化對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響，本文以某6×4牽引車為例，根據(jù)牽引車的結(jié)構(gòu)和布置形式，搭建整車模型。同時(shí)根據(jù)汽車配置方案和部件連接關(guān)系建立模型的能量連接，如圖6所示。

圖6 整車仿真模型

2.2 市場(chǎng)典型路譜提取

主要用于細(xì)分市場(chǎng)車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性校核，采用大數(shù)據(jù)分析方法，提取具有普遍代表性的實(shí)際運(yùn)行道路的速度譜和海拔譜[4-5]，轉(zhuǎn)鼓上還原市場(chǎng)真實(shí)運(yùn)行工況，真實(shí)反映排氣背壓對(duì)市場(chǎng)運(yùn)行車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的影響。

路譜的開發(fā)主要包含市場(chǎng)樣本車輛篩選、道路地形劃分、特征提取和路譜提取四部分。通過對(duì)單輛單趟運(yùn)行工況與總體工況特征對(duì)比分析，篩選典型市場(chǎng)路譜，主要包含運(yùn)行工況的相似性，包含怠速及地形占比，以及運(yùn)行數(shù)據(jù)的一致性，主要包含最大加速度、勻速占比、加速占比、車速標(biāo)準(zhǔn)差等，如表3所示。根據(jù)上述規(guī)則篩選出與總特征高度相似的一條市場(chǎng)實(shí)際路譜，如圖7所示。

圖7 細(xì)分市場(chǎng)典型路譜

表3 運(yùn)行數(shù)據(jù)一致性對(duì)比

2.3 仿真數(shù)據(jù)輸入

通過整車轉(zhuǎn)鼓臺(tái)架測(cè)試和供應(yīng)商相關(guān)部件參數(shù)的收集，將動(dòng)力系統(tǒng)總成參數(shù)和整車滑行阻力參數(shù)輸入到仿真模型[6]。

動(dòng)力系統(tǒng)主要包含發(fā)動(dòng)機(jī)（排量、最高轉(zhuǎn)速、怠速轉(zhuǎn)速、外特性數(shù)據(jù)和萬有特性數(shù)據(jù)）、變速器（擋位速比和傳遞效率Map）、驅(qū)動(dòng)橋（后橋速比和傳遞效率Map）和相關(guān)部件（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、離合器最大傳遞扭矩、制動(dòng)器有效摩擦半徑）信息。

整車滑行阻力系數(shù)按GB/T 12536—1990《汽車滑行試驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，滑行過程中緊閉汽車門窗、天窗、空調(diào)，根據(jù)滑行曲線擬合滑行阻力系數(shù)，輸入整車模塊，如圖8所示。

圖8 滑行阻力設(shè)置

2.4 排氣背壓對(duì)整車經(jīng)濟(jì)性影響分析

將不同排氣背壓下的燃油消耗率數(shù)據(jù)輸入CRUISE仿真軟件，如圖9所示，得到典型工況下不同排氣背壓整車百公里油耗。排氣背壓從5 kPa提升至25 kPa過程中，整車典型工況油耗增加0.71 L/100 km，即排氣背壓每增加1 kPa，整車等速油耗平均增加0.035 5 L/100 km。

圖9 不同排氣背壓下的整車油耗

3 總結(jié)

基于本次試驗(yàn)的試驗(yàn)參數(shù)及仿真結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)匹配排氣系統(tǒng)時(shí)，可得到如下結(jié)論：

（1）排氣背壓的降低可以明顯改善整車燃油經(jīng)濟(jì)性；

（2）對(duì)此次試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)，由于10 kPa～17.5 kPa范圍內(nèi)，不同排氣背壓下，整車油耗變化較為平緩，排氣背壓對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的敏感度較弱，且過低的排氣背壓設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成較高的設(shè)計(jì)成本，因此建議排氣背壓控制在17.5 kPa以內(nèi)；

（3）本次臺(tái)架試驗(yàn)和仿真的方法，可適用于其他柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的配套開發(fā)，以便指導(dǎo)排氣系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)。